JP5641548B1 - 微生物固定化担体 - Google Patents

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Abstract

【課題】微生物固定化担体の中心部の好気状態を維持すること、耐摩耗性を向上させること、並びにこのような特性を有する微生物固定化担体を提供すること。【解決手段】多孔質の発泡体からなる立体構造物の表面に形成されている複数個の開口部のうち、少なくとも2個を結び、当該立体構造物の内部を通る空洞部を備えていることを特徴とする微生物固定化担体。【選択図】図1

Description

この発明は、微生物を用いて汚泥を処理する方法において、微生物を担持する微生物固定化担体に関する。
従来から、下水、排水等の汚泥を浄化処理する方法は活性汚泥法など種々提案されている。
活性汚泥法は、曝気槽で汚泥と活性汚泥とを混合し、曝気して活性汚泥中の好気性微生物に汚泥中の汚濁物質を分解させ、過剰に増殖した活性汚泥と浄化された処理水とを分離する方法である。
特許文献1には、上述のような活性汚泥方法において、好気性微生物を保持する担体を投入し、微生物が付着した担体を曝気槽内で流動させて汚泥を処理する発明が提案されている。
また、特許文献2には、排水などの水中において適度な浮遊力を有し、かつ優れた微生物保持力と耐久性とを兼ね備えた微生物固定用担体に関する発明が提案されている。
特開2008−168204号公報 特開2002−292385号公報
図7は、活性汚泥法において使用される従来の微生物固定化担体の一例を表す図である。図7に例示されている多孔質発泡体(例えば、樹脂製のスポンジ)からなる立方体形状の微生物固定化担体15を曝気槽内の汚泥中に投入することで、活性汚泥中の好気性微生物が微生物固定化担体15に担持される。
ここで、微生物固定化担体には様々な性能が要求される。その一つとして汚泥の保持性が挙げられる。汚泥処理において使用される微生物固定化担体には汚泥の保持量を高めるため、樹脂製スポンジ材や、ゲル状の軟質材あるいはストロー状などの硬質素材が使用される。
このような材質からなる微生物固定化担体は、汚泥の保持量が多いという長所を有している反面、担体に蓄積された汚泥の排出がされにくいという課題がある。
図7を参照して説明すると、微生物固定化担体15が汚泥の流動により曝気槽内の壁面や、他の微生物固定化担体と衝突し、例えば外力16a、16b、16c、16d、16e、16fがそれぞれの矢印の方向に加わった場合、微生物固定化担体15の各外周面(上面、底面、側周面)近傍の汚泥は、例えば矢印17a、17b、17c、17d、17e、17f、17k、17l、17m、17nの方向へ流出することになる(図7(a)、(b))。
ところが、汚泥の一部は例えば矢印17g、17h、17i、17jの方向へ微生物固定化担体15の内部へ流入するため、微生物固定化担体15の中心部15aに汚泥が残存することになる(図7(b))。
中心部15aに汚泥が残存した状態で微生物固定化担体15を長期間使用していると、微生物固定化担体15の内部が好気状態から嫌気状態となり、担持されている好気性微生物が減少し、汚泥の処理性能が低下するおそれがある。
また、微生物固定化担体に要求される性能の一つとして耐摩耗性が挙げられる。上述したように、微生物固定化担体15は、曝気槽内を流動することにより、曝気槽内の壁面や他の微生物固定化担体と衝突するので摩耗しやすい。
このため、微生物固定化担体の交換頻度が増加し、安定した汚泥の浄化処理の妨げになるおそれがある。
そこで、この発明は、微生物固定化担体の中心部の好気状態を維持すること、耐摩耗性を向上させること、並びにこのような特性を有する微生物固定化担体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、以下の発明を提案する。
請求項1の発明は、
ウレタンスポンジ製の多孔質の発泡体からなる、立方体又は直方体である立体構造物の表面に形成されている複数個の開口部のうち、少なくとも2個を結び、当該立体構造物の内部を通る空洞部を備えている、曝気槽内で流動させる微生物固定化担体であって、
前記発泡体の多孔質構造を形成するセルの内周壁に環状膜形成されており、
前記空洞部が形成されていることにより、前記空洞部が形成されていない状態の前記立体構造物に比較して、比表面積が10%〜20%増加している、
ことを特徴とする微生物固定化担体である。
請求項2の発明は、
前記空洞部は、前記立体構造物の重心を通る
ことを特徴とする請求項1記載の微生物固定化担体である。
この発明によれば、微生物固定化担体の中心部の好気状態を維持すること、耐摩耗性を向上させること、並びにこのような特性を有する微生物固定化担体を提供することができる。
本発明の微生物固定化担体を例示したものであって、(a)第一の例を表す斜視図、(b)第二の例を表す斜視図、(c)第三の例を表す斜視図、(d)第四の例を表す斜視図、(e)第五の例を表す斜視図である。 図1(a)図示の微生物固定化担体に外力が働いた状態及び汚泥が排出される状態を表す図であって、(a)斜視図、(b)正面図である。 本発明の微生物固定化担体を用いて汚泥処理が行われる一例を表した概念図である。 微生物固定化担体の多孔質構造を形成するセルの一部を拡大した概念図であって、(a)各セルの内周壁に環状膜が形成されていない構造のセル、(b)各セルの内周壁に環状膜が形成されている構造のセルを表す図である。 環状膜が形成されたセルを有する本発明に係る微生物固定化担体の一部を拡大した参考写真であって、(a)汚泥処理生物膜が付着する前のセルの状態、(b)汚泥処理生物膜が付着した後のセルの状態を表した参考写真である。 環状膜が形成されていないセルを有する本発明に係る微生物固定化担体の一部を拡大した参考写真であって、(a)汚泥処理生物膜が付着する前のセルの状態、(b)汚泥処理生物膜が付着した後のセルの状態を表した参考写真である。 従来の微生物固定化担体の一例を表す図であって、(a)斜視図、(b)正面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の微生物固定化担体を例示したものである。
図1図示の本発明の多孔質の発泡体からなる微生物固定化担体は、曝気槽内の活性汚泥中の好気性微生物を担持するもので、この技術分野で公知となっている水膨潤性ポリウレタンフォーム等の合成樹脂やセラミック、シリカゲル等の無機物、海綿等を加工して製造することができる。
本実施形態では、ウレタンスポンジなどの合成スポンジ素材からなる発泡体2を加工し、10mm×10mm×10mmの立方体形状の立体構造物からなる微生物固定化担体1a、1bとした(図1(a)、(b))。この他、直方体形状の立体構造物からなる微生物固定化担体1c、1d、1eを例示する(図1(c)、(d)、(e))。
前記合成スポンジ素材からなる微生物固定化担体1a、1b、1c、1d、1eの形状については、その内部に、後述する空洞部を形成することができれば、立方体、直方体に限られず、その他の多角筒体、円筒体、球体など様々な形状の立体構造物とすることができる。
なお、微生物固定化担体の材質については、本実施形態で採用した合成スポンジ素材の他、膨潤時にゲル状となる樹脂製のスポンジも採用することもできる。
微生物固定化担体1a、1b、1c、1d、1eの多孔質構造を形成するセルのセル数は10個〜50個/25mmが好ましい。セル数が50個を超えると、きめ細かい担体となり好気性微生物を担持させやすい反面、摩耗しやすい。また、セル数が10個未満だと、発泡の粗い担体となり好気性微生物を担持させにくい。そこで、セル数は10個〜50個/25mmが好ましい。
本発明の微生物固定化担体は上述した立体構造物からなり、その立体構造物の表面に複数個の開口部が形成されている。そして、これらの開口部のうち、少なくとも2個を結び、当該立体構造物の内部を通る空洞部を備えている。
図1(a)図示の形態では、立方体形状の発泡体2の正面2a及び背面2bの中心に直径4mmの開口部4、4を設け、発泡体2の重心Gを通り、開口部4、4を結ぶ長さ10mmの円柱状の空洞部3aが発泡体2の内部に形成されている。
図1(b)図示の形態では、立方体形状の発泡体2の正面2a及び背面2bの中心に直径4mmの開口部4、4を設け、発泡体2の重心Gを通り、開口部4、4を結ぶ長さ10mmの円柱状の空洞部3aが発泡体2の内部に形成されている。
また、発泡体2の上面2c及び下面2dの中心に直径4mmの開口部4、4を設け、発泡体2の重心Gを通り、開口部4、4を結ぶ長さ10mmの円柱状の空洞部3bが発泡体2の内部に形成されている。
図1(c)図示の形態では、直方体形状の発泡体2の正面2a及び背面2bの中心に開口部4、4を設け、発泡体2の重心Gを通り、開口部4、4を結ぶ円柱状の空洞部3cが発泡体2の内部に形成されている。
図1(d)図示の形態では、直方体形状の発泡体2の正面2a及び背面2bの中心に開口部4、4を設け、発泡体2の重心Gを通り、開口部4、4を結ぶ円柱状の空洞部3cが発泡体2の内部に形成されている。
また、発泡体2の左側面2e及び右側面2fの中心に開口部4、4を設け、発泡体2の重心Gを通り、開口部4、4を結ぶ円柱状の空洞部3dが発泡体2の内部に形成されている。
図1(e)図示の形態では、直方体形状の発泡体2の正面2a及び左側面2eの中心に開口部4、4を設け、発泡体2の重心Gを通り、開口部4、4を結ぶL字状の空洞部3eが発泡体2の内部に形成されている。
図示の実施形態では、いずれも、立体構造物の異なる表面に形成されている開口部を結ぶ空洞部が立体構造物の内部を通るようになっている。このような構造に限られず、例えば、立体構造物の一面に2個の開口部が形成されていて、当該2個の開口部を結んで、立体構造物の重心を通る空洞部が立体構造物の内部を通る構造にすることもできる。
立体構造物の表面に複数個形成されている開口部の中の少なくとも2個を結び、当該立体構造物の内部を通る空洞部3a、3b、3c、3d、3eは、以下に説明するように、微生物固定化担体1a、1b、1c、1d、1d、1eの内部に残存する汚泥を排出する役割を果たす。
微生物固定化担体に外力が働いた状態及び汚泥が排出される状態を、微生物固定化担体1aを例に図2を参照して説明する。
微生物固定化担体1aが曝気槽内の処理対象である汚水などを含む汚泥の流動により、曝気槽内の壁面や、他の微生物固定化担体と衝突し、例えば外力5a、5b、5c、5d、5e、5fがそれぞれの矢印の方向に加わった場合、微生物固定化担体1aの各外周面(上面、底面、側周面)近傍の汚泥は、例えば矢印6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i、6jの方向へ排出される。
そして、汚泥の一部は例えば矢印6k、6l、6m、6nの方向へ微生物固定化担体1aの内部へ流入するが、空洞部3aが形成されていることにより、内部に流入した汚泥は空洞部3a及び開口部4、4を通じて矢印6o、6pの方向にも排出される。
したがって、図7図示の従来の微生物固定化担体15に比べて内部に残存する汚泥が少ないので、微生物固定化担体1aの内部は好気状態が維持されることになる。好気状態が維持されれば、担持されている好気性微生物を微生物固定化担体1aの内部に長期間保持することができる。
また、空洞部3aの内周面の表面積が微生物固定化担体1aの比表面積として加算されるので、比表面積が加算された分、開口部4、4及び空洞部3aを通じて好気性微生物を微生物固定化担体1aの内部に担持させやすくなる。
本実施形態における微生物固定化担体1aの比表面積と、比較例として空洞部3aが形成されていない点だけが本実施形態における微生物固定化担体1aと相違している微生物固定化担体の比表面積との比較を表1に表した。
表1より、10mm×10mm×10mmの微生物固定化担体1aの内部に、直径4mm、長さ10mmの円柱状の空洞部3aを設けることで、空洞部3aが形成されていない微生物固定化担体に比べて比表面積が約17%増加していることが確認された。
したがって、増加した比表面積の分、開口部及び空洞部を通じて好気性微生物を微生物固定化担体の内部に担持させやすくなると共に、汚泥及び曝気による空気も開口部及び空洞部を通じて微生物固定化担体の内部に吸収させることができるので、担持された好気性微生物の増殖を促進させることができる。
また、図2において、微生物固定化担体1aが曝気槽内の処理対象である汚水などを含む汚泥の流動により、曝気槽内の壁面や、他の微生物固定化担体と衝突し、例えば外力5a、5b、5c、5d、5e、5fがそれぞれの矢印の方向に加わった場合、空洞部3aでこれらの外力を緩和することができる。
したがって、微生物固定化担体1aを長期間使用しても摩耗による消耗が減少し、微生物固定化担体1aの交換頻度も減少するので、好気性微生物による汚泥処理機能を安定させることができる。
これらの観点から、立体構造物の表面に複数個形成されている開口部の中の少なくとも2個を結び、当該立体構造物の内部を通る空洞部を備えている本実施形態の微生物固定化担体における前記空洞部の大きさは、前記空洞部が形成されていない状態の前記立体構造物に比較して、比表面積が10%〜20%増加する大きさにすることが望ましい。
比表面積の増加比率が10%未満となるような寸法の空洞部を形成した場合、上述した内部に流入した汚泥を空洞部及び開口部を通じて排出させる能力が低くなるおそれがある。
また、比表面積の増加比率が20%を超えるような寸法の空洞部を形成した場合、耐摩耗性が低くなり、長期間の使用に耐えられないおそれがある。
この実施形態においては、開口部4の開口径は4mmとしたが、上述した、空洞部が形成されていることにより、前記空洞部が形成されていない状態の前記立体構造物に比較して、比表面積が10%〜20%増加する範囲であれば、開口部4の開口径は4mm未満又は4mm以上でもよい。微生物固定化担体の形状・寸法などを考慮して、空洞部が形成されていることにより、前記空洞部が形成されていない状態の前記立体構造物に比較して、比表面積が10%〜20%増加する範囲内で開口部4の開口径は種々に変えることができる。
この実施形態では、空洞部3a〜3eは、いずれも立体構造物の重心Gを通るようにしている。しかし、これに限られることは無く、立体構造物の表面に複数個形成されている開口部の中の少なくとも2個を結び当該立体構造物の内部を通る空洞部が、当該立体構造物の重心Gを通らない構造にすることもできる。
ただし、上述したように、微生物固定化担体1aに対して、外力5a〜5fなどが加わった際に、空洞部3a及び開口部4、4を通じて矢印6o、6pの方向にも汚泥が排出され、これによって、微生物固定化担体1aの内部に残存する汚泥をより少なくする上では、空洞部3a〜3eは、立体構造物の重心Gを通る構造・形態になっていることが望ましい。ウレタンスポンジなどの合成スポンジ素材、水膨潤性ポリウレタンフォーム等の合成樹脂やセラミック、シリカゲル等の無機物、海綿等を加工して製造される立体構造物からなる本実施形態の微生物固定化担体の場合、その重心Gと、その中心とは一致することが多い。そこで、立体構造物の表面に複数個形成されている開口部の中の少なくとも2個を結び当該立体構造物の内部を通る空洞部が、当該立体構造物の重心Gを通るようにしておくことによって、微生物固定化担体に、外力5a〜5fなどが加わった際、空洞部及び開口部を通じて微生物固定化担体の内部から効率よく汚泥を排出させ、微生物固定化担体の内部に残存する汚泥をより少なくすることができる。
図3は、微生物固定化担体1aを用いて汚泥処理が行われる一例を表した概念図である。
図3において、底部に散気装置8が設けられた曝気槽7内の処理対象である汚水などを含む汚泥は、矢印10a、10b、10c、10dの方向に沿って循環流動する。また、散気装置8からは多数の気泡9が曝気槽7内へ供給される。
汚泥及び溶解した空気を吸収し、内部が生物膜の部屋となっている微生物固定化担体1aは、曝気槽7内に投入された状態から矢印10aに沿って曝気槽7内を下降していくにつれ、矢印11aの各方向へ加圧される水圧が大きくなり、微生物固定化担体1aの表面から気泡9aが発生する程度の加圧状態となる(加圧状態B)。
加圧状態AからBにかけて、微生物固定化担体1aには矢印11aの各方向へ水圧が加わるが、上述したように、微生物固定化担体1aの内部には空洞部3aが形成されているので、空洞部3aでこれらの水圧を緩和することができる。
また、空洞部3a及び開口部4、4を通じて、図2に図示している矢印6o、6pを含む矢印12aの各方向へ、内部に吸収されている汚泥が排出されやすくなる。
したがって、図7図示の空洞部が形成されていない微生物固定化担体15に比べて、微生物固定化担体1aの内部に残存する汚泥が少なくなり、微生物固定化担体1aの内部は好気状態が維持される。好気状態が維持されれば、担持されている好気性微生物を微生物固定化担体1aの内部に長期間保持することができる。
加圧状態Bにおける汚泥を排出した微生物固定化担体1aは、矢印10b、10c、10dに沿って曝気槽7内を上昇していくにつれ、矢印11bの各方向へ水圧が減圧される(減圧状態A、B)
減圧状態AからBにかけて、微生物固定化担体1aには矢印11bの各方向へ水圧が減圧されるが、その際、空洞部3a及び開口部4、4を通じて図2に図示している矢印5e、5fを含む矢印12bの各方向へ、汚泥及び溶解した空気が内部に吸収されやすくなる。
また、空洞部3aを形成したことによって、微生物固定化担体1aの比表面積が増加するので、増加した比表面積の分、開口部4、4及び空洞部3aを通じてより多くの好気性微生物を微生物固定化担体1aの内部に担持させることができる。
したがって、微生物固定化担体1aの内部では、担持された好気性微生物が好気状態で前記吸収された汚泥及び溶解した空気に接触することになるので、好気性微生物の増殖を促進させることができる。
図4(a)は、この実施の形態における微生物固定化担体1aの多孔質構造を形成するセルのウォール構造の一形態を表すものである。図4(a)図示の構造では各セル13は六角形形状になっている。この六角形形状のウォール構造の各セル13の内周壁面に汚泥処理生物膜が形成され、好気性微生物が担持される。
ウォール構造の各セル13の形状は、図4(a)図示の六角形形状に限られず、三角形、四角形(正方形、長方形、ひし形)等の多角形形状、円形形状、楕円形形状など、種々の形状からなるウォール構造にすることができる。
また、前記で説明した種々の形状からなるウォール構造を形成するセルの内周壁、すなわち、発泡体の多孔質構造を形成するセルの内周壁に環状膜が形成されている構造にすることもできる。
図4(b)は、本発明の微生物固定化担体の多孔質構造を形成する各セルの内周壁13aに環状膜14が形成されている構造を表す図である。図4(b)図示の実施形態は、図4(a)で説明した六角形形状のウォール構造の各セル13の内周壁面13aに環状膜14が形成されているものである。環状膜14は発泡体の製造過程で発生するバリを利用して内周壁13aに形成させることができる。環状膜14を形成するのは、担持させる好気性微生物を増加させるためである。
図5は、多孔質の発泡体からなる立体構造物(12mm×12mm×12mm)の表面に形成されている2個の開口部を結び当該立体構造物の内部を通る空洞部(直径4mm、長さ12mm)を備えている図1(a)に例示されている形態の本発明の微生物固定化担体の前記発泡体の多孔質構造を形成するセルの内周壁に環状膜が形成されている状態の一部を拡大した参考写真である。セル数は18個/25mmとしている。
図5(a)は汚泥処理生物膜が付着する前のセルの状態を表すもので、ウォール構造を形成する各セルの内周壁に水掻きのような薄い環状膜が形成されている。
図5(b)は図5(a)に図示されている各セルの内周壁に形成されている水掻きのような薄い環状膜に汚泥処理生物膜が付着した後の状態を表す写真である。通気孔・通水孔が維持されながら、各セルの内周壁(薄い環状膜)の全体に汚泥処理生物膜が形成されている様子が表されている。
図6は、多孔質の発泡体からなる立体構造物(10mm×10mm×10mm)の表面に形成されている2個の開口部を結び、当該立体構造物の内部を通る空洞部(直径4mm、長さ10mm)を備えている図1(a)に例示されている形態の本発明の微生物固定化担体の前記発泡体の多孔質構造を形成するセルの内周壁の一部を拡大した写真である。セル数は18個/25mmとしている。
図6(b)は図6(a)図示の実施形態の各セルの内周壁に汚泥処理生物膜が付着した後の状態を表す写真である。図5(b)図示の形態に比べてセルの内周壁の一部分に汚泥処理生物膜が形成されている様子が表されている。
同一の曝気槽、同一の処理対象汚水を用い、図5、図6図示の構造を有する本発明の微生物固定化担体を用いて処理を行った。図5図示の構造を有する本発明の微生物固定化担体及び、図6図示の構造を有する本発明の微生物固定化担体共に、曝気槽の容積の30%を占める割合の数量を曝気槽に投入した。それぞれの場合において、MLSS濃度を測定したところ、図5図示の形態では約4,900mg/L、図6図示の形態では約3,000mg/Lであった。
このように、微生物固定化担体の各セルに、図4(b)に示し、上述したような環状膜を形成することで、より多くの好気性微生物を担持させることができることが確認された。
以上、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されること無く、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々に変更可能である。
1a、1b、1c、1d、1e 微生物固定化担体
2 発泡体
2a 発泡体の正面
2b 発泡体の背面
2c 発泡体の上面
2d 発泡体の下面
2e 発泡体の左側面
2f 発泡体の右側面
3a、3b、3c、3d、3e 空洞部
4 開口部
5a・・・5f 外力の働く方向
6a・・・6o 汚泥の流出方向
7 曝気槽
8 散気装置
9 気泡
9a 微生物固定化担体から発生した気泡
10a、10d、10c、10d 曝気槽内の汚泥の流れ
11a 水圧の加圧方向
11b 水圧の減圧方向
12a 汚泥の排出方向
12b 汚泥の吸収方向
13 セル
13a セルの内周壁
14 環状膜
15 従来の微生物固定化担体
15a 微生物固定化担体の中央部
16a・・・16f 外力の働く方向
17a・・・17n 汚泥の流出方向

Claims (2)

  1. ウレタンスポンジ製の多孔質の発泡体からなる、立方体又は直方体である立体構造物の表面に形成されている複数個の開口部のうち、少なくとも2個を結び、当該立体構造物の内部を通る空洞部を備えている、曝気槽内で流動させる微生物固定化担体であって、
    前記発泡体の多孔質構造を形成するセルの内周壁に環状膜形成されており、
    前記空洞部が形成されていることにより、前記空洞部が形成されていない状態の前記立体構造物に比較して、比表面積が10%〜20%増加している、
    ことを特徴とする微生物固定化担体。
  2. 前記空洞部は、前記立体構造物の重心を通る
    ことを特徴とする請求項1記載の微生物固定化担体。
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